«Шкіра зі шприца»: двофазний «гранулярний» біочорнильний друк дерми та її імплантація

Вчені зі Швеції представили біочорнило µInk для 3D-біодруку дерми: це двофазний гранульований гідрогель на основі пористих желатинових мікросфер з «насадженими» на них фібробластами людської шкіри плюс матриця з гіалуронової кислоти. Суміш поводиться як рідина під тиском у сопле шприца/принтера та знову гелює в рані – тому журналісти охрестили її «шкірою в шприці». В експериментах на мишах надруковані структури з дуже високою щільністю клітин виживали, швидко нарощували позаклітинний матрикс, вирощували судини та інтегрувалися з тканинами за 28 днів. Робота була опублікована в Advanced Healthcare Materials.

Передісторія

• Чому сучасні замінники шкіри далекі від «справжньої дерми». Клінічним стандартом для великих ран та опіків є аутотрансплантати розщепленої товщини (STSG) та/або дермальні шаблони (наприклад, Integra). Вони рятують життя та закривають дефект, але часто залишають шрами та контрактури, особливо при використанні тонких клаптів; якість рубця значною мірою залежить від частки «глибокої дерми» в трансплантаті. Навіть «сітчасті» клапті, зручні для покриття великих ділянок, утворюють більш помітне рубцювання завдяки загоєнню через сітчасті клітини. Дермальні шаблони допомагають формувати «неодерму», але залишаються безклітинними, вимагають етапів і не вирішують проблему недостатньої кількості аутологічних клітин/судин у перші тижні.
• Чому 3D-біодрук шкіри є логічним наступним кроком, але його розвиток стримується біочорнилом. Друк дозволяє розміщувати клітини та матеріали цілеспрямовано, але класичні гомогенні гідрогелі потрапляють у «розгалуження»:
  • занадто рідкі – вони розтікаються і не тримають форму; занадто жорсткі – вони тиснуть на клітини, перешкоджають проникненню кровоносних судин і не дозволяють друкувати з високою щільністю клітин. Крім того, досі важко відтворити придаткові структури (волосяні фолікули тощо). Нам потрібні біочорнила, які течуть під тиском сопла, а потім миттєво «збираються» в стабільну пористу масу та не вбивають клітини зсувом.
• Що таке гранульовані (мікрогелеві, "затиснуті") біочорнила та чому вони підходять для дерми? Це "щільно упаковані" мікрогелеві частинки, які поводяться як тверда речовина в стані спокою та як рідина під дією зсуву (розрідження при зсуві) – ідеально підходять для шприцевого/екструзійного друку та ін'єкцій. Після нанесення нитка зберігає свою форму, залишаючи міжзернові пори для росту судин; суміш може бути додатково "зшита" м'якими хімічними речовинами. Цей клас матеріалів став основою для друку м'яких тканин в останні роки.
• Ідея µInk у двох словах. Автори поєднали два шари проблеми — клітини та матрикс: вони посадили фібробласти шкіри людини на пористі желатинові мікросфери (біосумісні «кульки», подібні за хімічним складом до колагену), а потім «склеили» гранули разом з гіалуроновою матрицею за допомогою безмідної клік-хімії. Результатом стало біочорнило типу «рідина під тиском — тверда речовина у стані спокою», яке дозволяє досягти надвисокої клітинної щільності, друку/ін'єкції та швидкого залучення позаклітинного матриксу вже in situ. Конструкції прижилися та васкуляризувалися в організмі мишей протягом 28 днів.
• Як цей підхід вирішує «больові точки» клініки.
  1. Швидкість та логістика: замість тривалого культивування тканинного еквівалента відбувається швидке приготування «живих гранул» та введення «шкіри зі шприца» безпосередньо в рану або друк у формі дефекту.
  2. Біологія: Висока клітинність + пориста архітектура → краще відкладення позаклітинного матриксного шару та неоангіогенез – ключ до меншого рубцювання та еластичності дерми.
  3. Сумісність з аутологією: фібробласти легко отримати з невеликої біопсії; желатин/ГА – це компоненти, знайомі шкірі.
• Де залишаються прогалини. Це все ще доклінічна стадія на мишах; перехід до пацієнтів вимагає моделей шкіри повної товщини, тривалого спостереження, спільного друку з кератиноцитами/ендотелієм, стандартизації GMP та доказів того, що технологія фактично зменшує рубцювання та покращує функцію порівняно зі стандартом.
• Чому ця новина важлива саме зараз. На тлі постійних обмежень STSG/шаблонів та зрілості класу гранулярних біочорнил, µInk демонструє практичну конструкцію: «мікрогелеві носії + м’яка зв’язуюча матриця + високі дози аутологічних клітин». Це робить сценарій швидкої, клітинно-щільної реконструкції дерми без тривалих стадій «інкубатора» більш реалістичним.

Чому це необхідно?

Класичні замінники шкіри часто залишають рубець: у них мало клітин, вони погано зростаються та утворюють слабку «правильну» дермальну матрицю. А вирощування товстої та складної дерми повністю в чашках — це довгий та складний процес. Автори пропонують інший спосіб: швидко зібрати «цеглинки» з власних фібробластів пацієнта, посадити їх на пористі мікросфери та ввести/надрукувати це безпосередньо в область дефекту, де організм сам завершить повноцінну дерму.

Як працює біочорнило µInk

• Фаза 1: «живі гранули». Пористі желатинові мікросфери (по суті, крихітні кульки, хімічно схожі на колаген шкіри), на яких у біореакторі розмножуються первинні фібробласти шкіри людини.
• Фаза 2: «Зв’язуючий гель». Розчин гіалуронової кислоти, який склеює гранули разом за допомогою безмідного клік-хімічного закріплення.
• Реологія. Результатом є гранульований гідрогель, що стоншується при зсуві: він тече під тиском і зберігає форму в стані спокою, що означає, що він підходить як для нанесення за допомогою шприца, так і для 3D-друку.

Що показали експерименти

• Друк та життєздатність: Стабільні міні-патчі з надвисокою щільністю клітин були надруковані з µInk; життєздатність та фенотип фібробластів були збережені.
• In vivo (миші): Підшкірно імплантовані конструкції протягом 28 днів
  - заростали судинами,
  - демонстрували ремоделювання гідрогелю,
  - та накопичували позаклітинне тіло дерми (фібробласти продовжували ділитися та функціонувати), що свідчить про інтеграцію тканин.
• Практика застосування. Матеріал можна вводити через голку безпосередньо в рану – «шкіра в шприці» – або ж можна надрукувати шар/форму для конкретного дефекту.

Чому це важливо?

• Швидкість та щільність. Час має вирішальне значення для опіків та хронічних ран. µInk дозволяє обійти тривалі цикли росту тканин «в об’ємі» та негайно ввести багато активних клітин туди, де вони потрібні.
• Біологія ближча до нормальної. Висока клітинність та пориста архітектура мікросфер сприяють виробленню матриксу та неоваскуляризації, двох ключових факторів для загоєння без рубців та еластичності.
• Логістика клініки. Концепція добре поєднується з аутологічним підходом: взяти невелику біопсію шкіри → швидко розмножити фібробласти на мікросферах → надрукувати трансплантат для рани пацієнта.

Чим це відрізняється від звичайних «гідрогелів з клітинами»

Звичайні «однорідні» гідрогелі або занадто рідкі (розтікаються), або занадто жорсткі (тиснуть на клітини, перешкоджають росту судин). Зерниста архітектура забезпечує пори та шляхи для судин, а «двофазні» – як механічну стабільність, так і ін’єкційність. Крім того, желатинові носії біорозкладні та «знайомі» тканинам.

Обмеження та що далі

Поки що це доклінічні дослідження (миші, підшкірні кишені; часові рамки – 4 тижні). Далі:

• дефекти шкіри на всю товщину та триваліше спостереження;
• кератиноцитарно-ендотеліально-клітинна та комбінована повнотовща шкірна проба;
• перехід до аутологічних клітин пацієнта та моделі опіку/хронічної рани;
• масштабування для **виробництва GMP** (біореактори, стерильність, контроль клацання).

Джерело: Шамаша Р. та ін. Двофазні гранульовані біочорнила для біовиробництва конструкцій з високою щільністю клітин для регенерації шкіри, Advanced Healthcare Materials, онлайн 12 червня 2025 р. https://doi.org/10.1002/adhm.202501430